Wystarczy jedna molekuła, by dokonać zmiany

Po raz pierwszy w historii międzynarodowy zespół badawczy zademonstrował przełącznik wykonany z pojedynczej cząsteczki zwanej fullerenem. Naukowcy, wspierani po części przez finansowany ze środków Unii Europejskiej projekt PETACom, zdołali wykorzystać fulleren do przełączania ścieżki przychodzącego elektronu w sposób, który mogliby przewidzieć. Prowadzone przez nich badania zostały opublikowane w czasopiśmie „Physical Review Letters”.

Co więc oznacza to w kontekście zastosowań w świecie rzeczywistym? Jak opisano w komunikacie prasowym zamieszczonym przez Uniwersytet Tokijski w Japonii, proces przełączania – wspomagany przez starannie dostrojony impuls laserowy – może być od trzech do sześciu rzędów wielkości szybszy niż przełączniki w mikrochipach. Rzeczywista prędkość zależy od zastosowanych impulsów laserowych. Oznacza to, że gdyby dzisiejsze przełączniki sieciowe zastąpić przełącznikami fullerenowymi, mogłoby to doprowadzić do powstania komputerów o możliwościach znacznie przekraczających te, które można uzyskać dzięki elektronicznym tranzystorom. Mogłoby to również doprowadzić do powstania urządzeń do obrazowania mikroskopowego o niezrównanym poziomie rozdzielczości.„Udało nam się przejąć kontrolę nad sposobem, w jaki cząsteczka kieruje ścieżką przybywającego elektronu za pomocą bardzo krótkiego impulsu czerwonego światła laserowego”, stwierdza w komunikacie prasowym pierwszy autor badania, dr Hirofumi Yanagisawa z Instytutu Fizyki Stanów Stałych Uniwersytetu Tokijskiego. „W zależności od impulsu świetlnego elektron może pozostać na swoim domyślnym kursie lub zostać przekierowany w przewidywalny sposób. Przypomina to trochę przełączniki na torach kolejowych lub elektroniczny tranzystor, jednak w przypadku impulsów świetlnych odbywa się to o wiele szybciej. Sądzimy, że jesteśmy w stanie uzyskać prędkość przełączania o milion razy większą niż prędkość klasycznego tranzystora. A to może przełożyć się na realną wydajność w obliczeniach. Równie ważne jest to, że jeśli uda nam się dostroić laser tak, aby skłonić cząsteczkę fullerenu do przełączania się na wiele sposobów w tym samym czasie, może to być jak posiadanie wielu mikroskopijnych tranzystorów w jednej cząsteczce. To mogłoby zwiększyć złożoność systemu bez zwiększania jego fizycznych rozmiarów”.

Cząsteczka fullerenu to szereg atomów węgla tworzących sferę. Po umieszczeniu w punkcie metalu fullereny orientują się w szczególny sposób, który umożliwia im sterowanie elektronami w przewidywalny sposób. Impulsy laserowe emitowane z prędkością kwadrylionowych czy nawet kwintylionowych części sekundy w kierunku cząsteczek fullerenów wywołują emisję elektronów.

„Technika ta jest podobna do sposobu, w jaki mikroskop emisji fotoelektronów tworzy obrazy”, wyjaśnia dr Yanagisawa. „Mogą one jednak osiągnąć rozdzielczości w najlepszym wypadku w okolicach 10 nanometrów, czyli dziesięciomiliardowych części metra. Nasz przełącznik fullerenowy wzmacnia to i pozwala na uzyskanie rozdzielczości około 300 pikometrów, czyli trzystu trylionowych części metra”.

Wyniki uzyskane przy wsparciu projektu PETACom (Petahertz Quantum Optoelectronic Communication) torują drogę przełącznikom, które wykonują zadania obliczeniowe znacznie szybciej niż dzisiejsze mikroprocesory. Zanim jednak zobaczymy technologię opartą na przełącznikach fullerenowych w naszych komputerach, trzeba jeszcze pokonać wiele przeszkód.

Więcej informacji:

strona projektu PETACom